熔盐热裂解水稻秸秆动力学及试验

论文摘要

生物质是一种重要的可再生资源,而生物质热裂解作为一种重要的热化学转换技术,是生物质能源化转换利用研究中的重点之一。热裂解动力学研究可为生物质高效热化学转化技术研究提供理论基础,对设计热裂解反应器、优化热裂解工艺流程、探索热化学转化机理和开发热化学转化技术具有重要意义。本文以熔盐作为生物质热裂解的热载体、催化剂和分散剂,开展了以水稻秸秆为生物质原料热裂解的动力学及热裂解制生物油的试验研究。本文采用热重分析法（TGA）对水稻秸秆热裂解特性进行了研究,考察了升温速率、样品颗粒尺寸、原料预处理方式对水稻秸秆热裂解特性的影响规律,计算了相应的动力学参数;探讨了Mg、Ca、Li的氯化盐及K、Na的碳酸盐作用下水稻秸秆的热裂解动力学规律;采用两步平行和连串反应动力学模型来描述熔盐热裂解生物质的过程,选择了6种常用的固体反应动力学机理函数,通过多元非线性拟合计算得到动力学参数。结果表明,当粒径较小时,热裂解反应以一次反应为主导,残留率低;当颗粒粒径较大时,二次反应加剧,残留率高。快速升温有助于挥发分的析出。水洗和酸洗对水稻秸秆热裂解活化能的影响较大。水稻秸秆挥发分初始析出温度及终止温度均随盐质比的增大而降低。MgCl2和NaCl作用下水稻秸秆的热裂解为Fn类型的简单n级两步平行反应;其他熔盐作用下的热裂解为两步连串反应,且平行反应模型的活化能要高于连串反应模型的活化能。MgCl2-NaCl、CaCl2-LiCl-NaCl及KCl-LiCl-NaCl对水稻秸秆热裂解的促进作用较明显。在分析熔盐作用下水稻秸秆热裂解动力学的基础上,选择KCl-LiCl和KCl-LiCl-NaCl两种熔盐体系,在自行设计加工的反应器中进行熔盐热裂解水稻秸秆的试验研究,考察了生物质原料种类、熔盐组成和裂解温度等因素对水稻秸秆热裂解过程的影响规律。采用气相色谱（GC）和气质联用仪（GC-MS）分别对其热裂解的气相、液相产物进行组分分析。结果表明,温度对生物质的热裂解的影响较大;生物质原料及熔盐组成影响着热裂解产物产率分布和生物油组成。气相产物主要成分为H2、CO、CO2、CH4,糠醛、酮类和酚类物质是液相产物的主要成分。本研究为熔盐热裂解生物质机理研究提供了基础理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物质能的来源
• 1.2.1 能源作物
• 1.2.2 废弃物
• 1.3 生物质能开发利用技术
• 1.4 国内外生物质快速热裂解液化技术的研究进展
• 1.5 研究意义
• 1.6 主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 引言
• 2.2 生物质热裂解动力学模型研究进展
• 2.3 生物质在熔盐中的热裂解动力学研究
• 2.4 生物质热裂解动力学研究方法
• 2.4.1 生物质热裂解动力学基础理论
• 2.4.2 生物质热裂解动力学多元非线性拟合计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 生物质原料的基本性质分析
• 3.1 引言
• 3.2 生物质的元素分析
• 3.3 金属离子含量分析
• 3.4 生物质工业分析
• 3.4.1 水分的测定
• 3.4.2 灰分的测定
• 3.4.3 挥发分的测定
• 3.4.4 固定碳的测定
• 3.5 生物质主要成分的定量分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 生物质热裂解动力学的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验原料、仪器及方法
• 4.3 粒径对生物质热裂解特性的影响
• 4.4 升温速率对水稻秸秆热裂解特性的影响
• 4.5 微晶纤维素及水稻秸秆的动力学分析
• 4.6 预处理对生物质热裂解特性的影响
• 4.6.1 预处理方法
• 4.6.2 预处理方法对水稻秸秆热裂解热性的影响
• 4.6.3 酸浓度对水稻秸秆热裂解热性的影响
• 4.6.4 预处理对水稻秸秆热裂解动力学模型及其参数的影响
• 4.7 熔盐对生物质热裂解特性的影响
• 2+作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学'>4.7.1 Mg²⁺作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学
• 2+作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学'>4.7.2 Ca²⁺作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学
• 4.7.3 Li+作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学
• 3^2-作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学'>4.7.4 C0₃^2-作用下水稻秸秆热裂解特性及动力学
• 4.8 本章小结
• 第五章 熔盐中生物质热裂解试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验分析仪器及方法
• 5.3 试验装置
• 5.4 试验步骤
• 5.5 原料及熔盐组成对热裂解产物分布的影响
• 5.6 热裂解温度对熔盐热裂解生物质产物分布的影响
• 5.7 载气流速对熔盐热裂解生物质产物分布的影响
• 5.8 热裂解条件对生物油成分影响分析
• 5.8.1 生物油的预处理
• 5.8.2 原料及熔盐组成对生物油组分的影响
• 5.8.3 热裂解温度对生物油组分的影响
• 5.8.4 载气流速对生物油组分的影响
• 5.9 熔盐中生物质的热裂解过程
• 5.10 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文